04工程地质及土力学—土的物理性质及渗透性(新版)

2015年11月土的形成土岩石风化、搬运、沉积地质成岩作用土的组成、结构和物理力学性质过程、条件4.1土的三相组成与结构土的形成与风化作用物理风化化学风化生物活动岩石和土的粗颗粒受各种气候等物理因素的影响产生胀缩而发生裂缝,或在运动过程中因碰撞和摩擦而破碎是颗粒大小发生量的变化矿物成分与母岩相同，称原生矿物产生无粘性土母岩表面和碎散的颗粒受环境因素的作用而改变其矿物的化学成分，形成新的矿物颗粒成分发生质的变化矿物成分与母岩不同，称次生矿物形成十分细微的土颗粒，最主要为粘性颗粒及可溶盐类土的形成与风化作用物理风化化学风化生物活动包括植物、动物和土壤微生物的作用可加剧物理和化学风化构成土中有机质和营养物质的生物循环导致腐殖质的形成，改变土壤的结构土的形成与风化作用物理风化化学风化生物活动土中气体气相次要作用固体颗粒固相构成土体骨架起决定作用土中水液相重要影响土体的三相构成固体颗粒-颗粒大小粒组按粗细进行分组，将粒径接近的归成一类界限粒径d(mm)砾石砂粒粉粒粘粒胶粒6020.0750.0050.0020.250.5520粗中细粗中细0.075粗粒细粒粗粒土：以砾石和砂砾为主要组成的土，也称无粘性土。细粒土：以粉粒、粘粒和胶粒为主要组成的土，也称粘性土。巨粒604.1.1土的三相组成–固体颗粒固体颗粒-粒径级配粒径级配：各粒组的相对含量，用质量百分数来表示分析方法：筛分法：适用于粗粒土孔径大小不同的筛子水分法：适用于细粒土常采用比重计法表述方法:粒径级配累积曲线§1.2土的三相组成–固体颗粒4.1.1土的三相组成–固体颗粒固体颗粒-粒径级配孔径105.02.01.00.50.250.1(0.075)200g土筛余010161824223872小于某粒径之土质量百分数P（％）粒径(mm)P100958778665536土的粒径级配累积曲线水分法粒径(mm)0.050.010.005百分数P(%)2613.510筛分法固体颗粒–级配曲线d60d50d10d30特征粒径:斜率:某粒径范围内颗粒的含量陡-相应粒组含量多缓-相应粒组含量少平台-相应粒组缺乏d50:平均粒径d60:控制粒径d10:有效粒径d304.1.1土的三相组成–固体颗粒4.1.1土的三相组成–固体颗粒土的粗细度：用d50表示土的不均匀程度：用不均匀系数：Cu=d60/d10表示，Cu5，称为不均匀土，反之称为均匀土连续程度:用曲率系数Cc=d302/(d60×d10)度量,Cc=1~3为连续级配,>3或<1为不连续级配固体颗粒–级配曲线小于某粒径之土质量百分数（％）粒径(mm)土的粒径级配累积曲线d60d50d10d30小于某粒径之土质量百分数（％）粒径(mm)土的粒径级配累积曲线d60d10d30曲线d60d10d30CuCcL0.330.0050.081663.98M0.0632.41R0.0300.545缺少小颗粒，Cc缺少大颗粒，CcCc=13,级配连续曲率系数举例4.1.1土的三相组成–固体颗粒4.1.1土的三相组成–固体颗粒粒组含量用于土的分类定名；不均匀系数Cu用于判定土的不均匀程度：Cu5为不均匀土；Cu5为均匀土曲率系数Cc用于判定土的连续程度：Cc=1~3为级配连续土；Cc>3或Cc<1为级配不连续土不均匀系数Cu和曲率系数Cc用于判定土的级配优劣：Cu5且Cc=1~3为级配良好的土；如果Cu<5或Cc>3或Cc<1为级配不良的土粒径级配曲线和指标的应用4.1.2土的三相组成–土中水土中水结晶水矿物内部的水结合水吸附在土颗粒表面的水自由水电场引力作用范围之外的水土中冰由自由水冻成，冻胀融沉水蒸气存在孔隙空气中4.1.2土的三相组成–土中水-强结合水：排列致密，密度>1g/cm3冰点处于零下几十度完全不能移动，具有固体的特性温度略高于100°C时可蒸发-弱结合水：受电场引力作用，为粘滞水膜外力作用下可以移动不因重力而流动，有粘滞性粘土颗粒引力d水分子阳离子强结合水弱结合水自由水土中水–结合水结合水：受颗粒表面电场作用力吸引而包围在颗粒四周，不传递静水压力，不能任意流动的水4.1.2土的三相组成–土中水毛细水：由于土体孔隙的毛细作用升至自由水面以上的水。毛细水承受表面张力和重力的作用重力水：自由水面以下的孔隙自由水，在重力作用下可在土中自由流动土中水–自由水自由水：不受颗粒电场引力作用的孔隙水hc毛细水重力水4.1.3土的三相组成–土中气气相-土中气自由气体：与大气连通连通的气体对土的性质影响不大封闭气体：被土颗粒和水封闭的气体其体积与压力有关。会增加土的弹性；阻塞渗流通道，降低渗透性溶解在水中的气体吸附于土颗粒表面的气体原状土和重塑土的强度沉积或碾压土的各向异性土的结构是指土粒的原位集合体特征，是由土粒单元的大小、形状、相互排列及其联结关系等因素形成的综合特征。土颗粒或粒团的空间排列和相互联结。单粒结构蜂窝结构絮状结构土的结构4.1.4土的三相组成–土的结构粗颗粒土在水中或空气中下沉而成的，是碎石土和砂类土的结构特征。单粒结构特点：土粒间的分子吸引力很小，颗粒几乎没有联结。粒间作用力：重力起决定性的作用。在非饱和土中，还受到毛细力的作用。排列形式：点与点、点与面蜂窝结构当土颗粒较细，在水中单个下沉，碰到已沉积的土粒，由于土粒之间的分子吸力大于颗粒自重，则土粒被吸引不再下沉，逐渐形成土粒链，土粒链组成弓架结构，形成很大孔隙的蜂窝状结构。是粉粒土的结构形式。特点：孔隙大，高水平荷载作用下，结构破坏，易导致严重的地基沉降。絮状结构粒径小于0.005mm的黏土颗粒，在水中长期悬浮并在水中运动时，形成小链环状的土集粒而下沉。这种小链环碰到另一小链环被吸引，形成大链环状的絮状结构。特点：不稳定的，随溶液性质的改变或受到震荡后可重新分散。4.2土的三相物理性质指标及换算物理性质指标土的三个组成相的体积和质量上的比例关系密实程度干湿程度……特点:指标概念简单，数量很多要点：名称、概念或定义、符号、表达式、单位或量纲、常见值或范围、联系与区别基本方法:定义三相草图法4.2.1土的三相物理性质指标三相草图三相草图三个独立变量，干土或饱和土二个独立变量其它指标：三相草图法计算实验室测定基本物理性质试验为了确定三相草图诸量中的三个量，通常进行三个基本的物理性质试验：土的密度试验土粒比重试验土的含水量试验土的密度基本试验指标-土的密度土粒比重ds基本试验指标-土粒比重土粒比重在数值上等于土粒的密度基本试验指标-含水量注意:其实是含水比,可达到或超过100％土的含水量W换算指标可表示同一种土的松密，二者之间存在关系：表示土中孔隙含量的指标砂类土：28-35%粘性土：30-50%，有的可达60-70%可用三相草图推出表示土中含水程度的指标对干土：Sr=0对饱和土：Sr=1饱和度表示孔隙中充满水的程度：表示土体密度和容重的指标干密度：土被烘干时的密度，干容重：静水下的有效容重各种密度容重间的大小关系步骤：首先绘出三相草图；明确所求指标的表达式或定义；作假设以减少未知量，求解。4.2.2物理性质指标之间的换算例如设：推求土的物理状态指标土的物理状态粗粒土的松密程度粘性土的软硬状态土的物理性质指标(三相间的比例关系)表示4.3土的物理状态4.3.1无粘性土的密实度粗粒土的密实状态密实度：通常指单位体积中固体颗粒含量的多少简单方便，但只能用于同一种土，不能反映级配的影响物理性质指标：孔隙比e（孔隙率n）干容重demax与emin：最大与最小孔隙比最大孔隙比emax:将松散的风干土样通过长颈漏斗轻轻地倒入容器，避免重力冲击，求得土的最小干密度再经换算得到最大孔隙比最小孔隙比emin:将松散的风干土样装入金属容器内，按规定方法振动和锤击，直至密度不再提高，求得土的最大干密度再经换算得到最小孔隙比理论上的最大与最小孔隙比在室内的测定有时很困难粗粒土的最大与最小孔隙比粗粒土的相对密度相对密度指标主要用于人工填土，对天然砂土层采用原位 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 贯入试验法测定粗粒土的相对密度依据现场试验结构确定土的密实度天然砂土的密实度，可按原位标准贯入试验的锤击数N进行评定。天然碎石土的密实度，可按原位重型圆锥动力触探的锤击数N63.5进行评定(GB50007-2002)4.3.2粘性土的物理特征粘性土最主要的物理状态特征是它的稠度，稠度是指土的软硬程度或土对外力引起变形或破坏的抵抗能力稠度状态与含水量有关粘性土含水量较硬变软流动粘性土的稠度状态塑限wp液限wl粘性土的稠度反映土中水的形态固态或半固态可塑状态流动状态强结合水弱结合水自由水w强结合水膜最大出现相当数量自由水粘性土的稠度状态液性指数：IL0坚硬(半固态)0<IL0.25 硬塑0.25<IL0.75 可塑0.75<IL1 软塑IL>1 流塑土的稠度状态–液性指数不同的粘土，wp、wl大小不同。对于不同的粘土，含水量相同，稠度可能不同液性指数是表征土的含水量与分界含水量之间相对关系的指标。对重塑土较为合适。塑性指数定义：大体上表示土的弱结合水含量反映吸附结合水的能力，即粘性大小大致反映粘土颗粒含量常作为细粒土工程分类的依据粘性土按塑性指数分类4.4土的渗透性土体中的渗流土是一种碎散的多孔介质，其孔隙在空间互相连通。当饱和土中的两点存在能量差时，水就在土的孔隙中从能量高的点向能量低的点流动水在土体孔隙中流动的现象称为渗流土具有被水等液体透过的性质称为土的渗透性透水层不透水层土石坝坝基坝身渗流工程中的渗流问题防渗体坝体渗流问题：1.渗流量？2.渗透破坏？3.渗透力？工程实例板桩围护下的基坑渗流渗流问题：1.渗流量？2.渗透破坏？3.渗水压力？透水层不透水层基坑板桩墙工程实例渗流问题：1.渗流量Q？2.降水深度？透水层不透水层天然水面水井渗流漏斗状潜水面Q§2.1概述-渗流问题渗流问题：1.渗流量？2.地下水影响范围？渠道、河流渗流原地下水位渗流时地下水位降雨入渗引起的滑坡渗流问题：1.渗透力？2.入渗过程？事故实例达西渗透试验4.4.2达西定律1856年达西(Darcy)在研究城市供水问题时进行的渗流试验或：其中，A是试样的断面积水力坡降i：单位渗流长度上的水头损失达西定律：土中水的渗透速度v与水头梯度i成正比。v=ki＝Q/A式中：v－渗流速度（m/s);k－渗透系数（m/s);i－水头梯度，即沿水流方向单位长度上的水头差。土的层流渗透定律（达西定律）达西定律达西定律：在层流状态的渗流中，渗透速度v与水力坡降i的一次方成正比，并与土的性质有关渗透系数k:反映土的透水性能的比例系数，其物理意义为水力坡降i＝1时的渗流速度，单位：cm/s,m/s,m/day渗透速度v：土体试样全断面的平均渗流速度，也称假想渗流速度其中，Vs为实际平均流速，孔隙断面的平均流速达西定律的适用范围适用条件：层流（线性流动）岩土工程中的绝大多数渗流问题，包括砂土或一般粘土，均属层流范围在粗粒土孔隙中，水流形态可能会随流速增大呈紊流状态，渗流不再服从达西定律。可用雷诺数进行判断：Re＜5时层流Re＞200时紊流200＞Re＞5时为过渡区达西定律的适用范围在纯砾以上的很粗的粗粒土如堆石体中，在水力坡降较大时，达西定律不再适用，此时：两种特例对致密的粘性土，存在起始水力坡降i0？？i>i0,v=k(i-i0)渗透系数的测定方法常水头试验法变水头试验法井孔抽水试验井孔注水试验4.4.3渗透系数的测定及影响因素室内试验方法野外试验方法室内试验方法-常水头试验法试验条件:Δh，A，L=const量测变量:体积Q，t适用土类：透水性较大的砂性土室内试验方法-变水头试验法试验条件:Δh变化A，a，L=const量测变量:h，t适用土类：透水性较小的粘性土土样ALQ水头测管开关a在tt+dt时段内：室内试验方法-变水头试验法土的性质水的性质粒径大小及级配孔隙比矿物成分结构渗透系数的影响因素渗透系数的影响因素土的性质水的性质粒径大小及级配孔隙比矿物成分结构对粘性土，影响颗粒的表面力不同粘土矿物之间渗透系数相差极大，其渗透性大小的次序为高岭石>伊里石>蒙脱石；当粘土中含有可交换的钠离子越多时，其渗透性将越低塑性指数Ip综合反映土的颗粒大小和矿物成份，常是渗透系数的参数渗透系数的影响因素土的性质水的性质粒径大小及级配孔隙比矿物成分结构影响孔隙系统的构成和方向性，对粘性土影响更大在宏观构造上，天然沉积层状粘性土层，扁平状粘土颗粒常呈水平排列，常使得k水平﹥k垂直在微观结构上，当孔隙比相同时，凝聚结构将比分散结构具有更大的透水性渗透系数的影响因素土的性质水的性质粒径大小及级配孔隙比矿物成分结构渗透系数的影响因素土的性质水的性质粒径大小及级配孔隙比矿物成分结构渗透系数的影响因素水的动力粘滞系数：温度，水粘滞性，k饱和度（含气量）：封闭气泡对k影响很大，可减少有效渗透面积，还可以堵塞孔隙的通道土的性质水的性质粒径大小及级配孔隙比矿物成分结构4.5渗流的工程问题渗透力-试验观察Δh=0静水中，土骨架会受到浮力作用。Δh>0水在流动时，水流受到来自土骨架的阻力，同时流动的孔隙水对土骨架产生一个摩擦、拖曳力。渗透力j：渗透作用中，孔隙水对土骨架的作用力，方向与渗流方向一致4.5.1渗透力与临界水力梯度渗透力-试验观察土粒渗流渗透力j：体积力渗透力j：单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力渗透力-受力分析W=Lsat＝L(+w)P1=whwP2=wh2R=?R+P2=W+P1R+wh2=L(+w)+whwR=L土水整体受力分析-静水渗透力-受力分析W=Lsat＝L(+w)P1=whwP2=wh1R=?R+P2=W+P1R+wh1=L(+w)+whwR=L-wh土水整体受力分析-渗流渗透力-受力分析R=L-wh土水整体受力分析-对比静水中的土体渗流中的土体向上渗流存在时，滤网支持力减少R=L减少的部分由谁承担？总渗透力：J=wh渗透力j：单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力j=J/V=wh/L=wi渗透力的性质物理意义：单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力，它是一种体积力大小：j=wi方向：与水力坡降方向一致作用对象：土骨架向上渗流存在时，滤网支持力减少。当滤网支持力为零时的水力坡降称为临界水力坡降icr，它是土体开始发生流土破坏时的水力梯度：4.5.2临界水力梯度渗透力-受力分析渗透力-临界水力梯度R=L-wh=0icr=h/L=/w基本类型流土管涌土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或破坏形成条件防治措施4.5.3渗流的工程问题流砂或流土渗透变形-流土流土：在向上的渗透作用下，表层局部范围内的土体或颗粒群同时发生悬浮、移动的现象。任何类型的土，只要水力坡降达到一定的大小，都可发生流土破坏。流土现象比较容易在粉细沙，粉土地层中发生，所以常称为流沙。渗流地震引起的砂土液化发生流沙的条件当竖向渗流力等于土体的有效重量（浮重度）时，土体就处于流土临界状态。当发生自下而上的渗流且水力梯度大于或等于临界水力梯度时，就会出现流砂现象。以濒临渗透破坏时的水力梯度称为临界水力梯度。GdGd渗流压力浮重度2.潜蚀在渗流情况下，地下水对岩土的矿物、化学成分产生溶蚀、滤液后这些成分被带走以及水流将细小颗粒从较大颗粒的孔隙中直接带走，这种作用叫潜蚀。潜蚀是岩土体内部的水土流失，在渗流出口处表现为管状涌水并带出细小颗粒，所以潜蚀也称管涌。原因：内因——有足够多的粗颗粒形成大于细粒直径的孔隙外因——渗透力足够大千里之堤，溃于蚁穴潜蚀的防治渗透变形–潜蚀（管涌）原因内因：有足够多的粗颗粒形成大于细粒直径的孔隙外因：渗透力足够大在渗流作用下，一定级配的无粘性土中的细小颗粒，通过较大颗粒所形成的孔隙发生移动，最终在土中形成与地表贯通的管道渗流过程演示1.在渗透水流作用下，细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动流失2.孔隙不断扩大，渗流速度不断增加，较粗颗粒也相继被水带走3.形成贯穿的渗流通道，造成土体塌陷Fs:安全系数1.5~2.0[i]:允许坡降i<icr:土体处于稳定状态i=icr:土体处于临界状态i>icr:土体发生流土破坏工程设计：流土可能性的判别在自下而上的渗流逸出处，任何土，包括粘性土和无粘性土，只要满足渗透坡降大于临界水力坡降这一水力条件，均要发生流土：土是否会发生管涌，取决于土的性质：粘性土（分散性土例外）属于非管涌土无粘性土中发生管涌必须具备相应的几何条件和水力条件管涌可能性的判别渗透变形的防治措施减小i：上游延长渗径下游减小水压增大[i]：下游增加透水盖重改善几何条件：设反滤层等改善水力条件：减小渗透坡降防治流土防治管涌4.6地基土的工程分类土的组成土的状态土的结构建筑地基基础设计规范-GB50007-2011分类法水利部SL237-1999分类法土的工程分类目的：便于调查研究；便于分析评价；便于交流(基于共同的概念)依据：最能反映土的物理力学性质的指标要求：要有一定的逻辑性、系统性，纲目分明，简单易记，便于运用岩石碎石土砂土粉土粘性土人工填土土建筑场地基基础规范GB50007-2011颗粒间牢固粘结,呈整体或具有节理隙的岩体称为岩石，坚硬程度可根据岩块的饱和单轴抗压强度frk分类岩石碎石土砂土粉土粘性土人工填土土建筑场地基基础规范GB50007-2011粒径大于2mm的颗粒含量超过全重50%的土称为碎石土注：定名时应根据颗粒级配由大到小以最先符合者确定土的名称粒组含量粒径大于2mm的颗粒占全质量25-50%砾砂粗砂中砂细砂粉砂粒径大于0.5mm的颗粒超过全质量50%粒径大于0.25mm的颗粒超过全质量50%粒径大于0.075mm的颗粒超过全质量85%粒径大于0.075mm的颗粒超过全质量50%建筑场地基基础规范GB50007-2011岩石碎石土砂土粉土粘性土人工填土砂土粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重50%的土，且粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全重50%的土称为砂土注：定名时应根据颗粒级配由大到小以最先符合者确定岩石碎石土砂土粉土粘性土人工填土土粉土粘性土粘性土：塑性指数Ip>10的土粉土：粒径大于0.075mm的颗粒含量小于全质量50%而塑性指数Ip10的土建筑场地基基础规范GB50007-2011塑性指数土的名称IP>17粘土10<IP≤17粉质粘土IP≤10粉土砂质粉土（粒径小于0.005mm的颗粒含量小于等于总质量的10％）粘质粉土（粒径小于0.005mm的颗粒含量超过总质量的10％）人工填土：由于人类活动而堆积的土，其物质成分杂乱，均匀性较差。（1）素填土：由碎石、砂土、粉土、粘性土等组成的填土。（2）杂填土：含有大量建筑垃圾、工业废料和生活垃圾等杂物的填土。（3）冲填土：由水力冲填泥砂形成的填土。（4）压实填土：素填土分层填筑，经过人工或机械压实后形成的。水利部SL237-1999分类法土颗粒组成及其特性塑性指标：液限、塑限、塑性指数有机质含量土的分类巨粒土和含巨粒土粗粒土：砾类土、砂类土细粒土：根据塑性图分类特殊土：黄土、膨胀土、红粘土分类依据：Theend！